La espectrometría de masas de ionización térmica ( TIMS ) también se conoce como ionización de superficie y es una técnica de caracterización de espectrometría de masas de isótopos altamente sensible. Las proporciones isotópicas de los radionucleidos se utilizan para obtener una medición precisa para el análisis elemental de una muestra. [1] Los iones con carga simple de la muestra se forman por el efecto de ionización térmica . Una muestra líquida purificada químicamente se coloca sobre un filamento metálico que luego se calienta para evaporar el solvente. La eliminación de un electrón de la muestra purificada se logra en consecuencia calentando el filamento lo suficiente como para liberar un electrón, que luego ioniza los átomos de la muestra. [2] La TIMS utiliza un analizador de masas del sector magnético para separar los iones en función de su relación masa/carga. Los iones ganan velocidad mediante un gradiente de potencial eléctrico y se enfocan en un haz mediante lentes electrostáticas. Luego, el haz de iones pasa a través del campo magnético del electroimán, donde se divide en haces de iones separados en función de la relación masa/carga del ion. Estos haces, cuya masa se resuelve, se dirigen a un detector donde se convierten en voltaje. El voltaje detectado se utiliza luego para calcular la relación isotópica. [3]
Los filamentos utilizados están hechos de tantalio (Ta), tungsteno (W), platino (Pt) o renio (Re). Tradicionalmente, se utilizan dos filamentos en TIMS. Un filamento es para la muestra y se denomina filamento de muestra. La muestra líquida se coloca sobre el filamento de muestra, que luego se evapora. Posteriormente, estos analitos evaporados caen sobre el otro filamento, también conocido como filamento de ionización, donde se ioniza. [4]
También es posible el método de filamento único. Una vez que la muestra se evapora, los analitos pueden volver a depositarse en el mismo filamento para ionizarse. [4]
El uso de una configuración de triple filamento o multifilamento mejora la eficiencia de ionización y permite controlar por separado la tasa de evaporación e ionización. [4]
Los filamentos deben cargarse con activadores. Un activador inhibe la evaporación del elemento deseado y puede aumentar o disminuir el potencial de ionización del filamento. Esto da como resultado una alta eficiencia de ionización y un mayor rendimiento total. El activador más común es el gel de sílice/ácido fosfórico para el Pb. [5]
Los filamentos se encuentran en un vacío que puede alcanzar temperaturas de entre 400 y 2300 °C. Para evitar cualquier daño a los filamentos, estos se fijan firmemente a una torreta de muestra similar a un carrusel que normalmente tiene entre 10 y 20 conjuntos de filamentos. El proceso de evaporación se lleva a cabo normalmente a temperaturas relativamente bajas a cambio de señales duraderas y un fraccionamiento isotópico menor. La parte de ionización requiere altas temperaturas para garantizar una buena eficiencia de ionización. [6]
Los iones emitidos tienen una baja dispersión espacial y energética, lo que hace que un analizador de masas de sector magnético de enfoque único o cuadrupolos sea adecuado. [6] Los detectores más comunes utilizados para TIMS son la copa de Faraday , el detector Daly y el multiplicador de electrones . [5] Habitualmente, las fuentes de iones TI se ensamblan con sistemas multicolectores (MC). [6]
Cuando el filamento caliente calienta la muestra líquida, los niveles de Fermi dentro de la muestra alcanzan la paridad con los del metal. A su vez, esto permite que un electrón pase por un túnel desde la muestra hasta el filamento metálico. Como resultado, se forman iones positivos a partir de la muestra que perdió un electrón. Esta transferencia de electrones también da como resultado la formación de iones negativos. Posteriormente, existen dos tipos de ionización térmica. Una es la ionización térmica positiva (P-TI) y la segunda es la ionización térmica negativa (N-TI). [5] La producción de iones está parametrizada por la ecuación de ionización de Saha o la ecuación de Saha-Langmuir. [4]
Las abundancias relativas de diferentes isótopos se utilizan luego para describir el fraccionamiento químico de diferentes isótopos, el viaje en diferentes reservorios de isótopos no radiogénicos y la edad o los orígenes de los objetos del sistema solar por la presencia de isótopos hijos radiogénicos. [7] [8]
El análisis elemental es una aplicación predominante del TIMS, ya que proporciona proporciones isotópicas fiables. Siguiendo la tendencia de disminución de la energía de ionización , los elementos ubicados hacia la parte inferior izquierda de la tabla periódica son viables para el TIMS. Además, la alta afinidad electrónica observada hacia la parte superior derecha de la tabla periódica hace que estos no metales sean excelentes candidatos. [4] La técnica se utiliza ampliamente en geoquímica de isótopos, geocronología y cosmoquímica. [7] [8]
Las técnicas de relación isotópica cuantitativa incluyen la espectrometría de masas de ionización térmica por dilución de isótopos (ID-TIMS) [9] y la espectrometría de masas de ionización térmica por abrasión química (CA-TIMS). [10]
Se utiliza el método de dilución de isótopos porque la intensidad de la señal en TIMS no es proporcional a la cantidad que se coloca en TIMS. [5]
Para la datación por edad, los espectrómetros de masas con sectores magnéticos tienen una mayor precisión que un espectrómetro de masas cuadrupolo o un analizador de masas cuadrupolo . Los espectrómetros de masas de plasma-cuadrupolo acoplados inductivamente permiten una precisión aún mayor en la detección del cambio de proporciones isotópicas por desintegración radiactiva. Cuanto mayor sea la precisión, mayor será la resolución en la datación por edad. [5]